Пример припоя

Температурное условие пайки

При
пайке должно выполняться температурное
условие

Температура
начала плавления материала деталиt1
= t2
t1Превышение
температурыплавления
паяемого металланад
температурой пайкидля
сохранения формыизделия

t1{amp}gt;
20ОСТемпература
пайкиt2
= t3
t2
t3Перегрев
припоя, обеспечивающий смачивание
 t2
= 20…

https://www.youtube.com/watch?v=ytpolicyandsafetyru

50ОСТемпература
полногорасплавления
припояИнтервал
кристаллизацииприпоя

t3Температура
началаплавления
припояt3
= t4
t4Температурный
запасработоспособности
припоя
 t4Температура
эксплуатациипаяного
соединенияt4t1
{amp}gt; t2
{amp}gt; t3
{amp}gt; t4
.

Марки оловянных и оловянно-свинцовых припоев

По химическому составу сплава выделяют сурьмянистые припои, припои с малым количеством сурьмы (малосурьмянистые), сплавы без сурьмы (бессурьмянистые). Все вышеперечисленные виды припоев производят по ГОСТ 21931-76 (в изделиях), ГОСТ 21930-76 (чушки).

— оловянно-свинцовые (в сокращении ПОС);

— сурьмянистые (сокращенно ПОССу);

— оловянно-свинцово-кадмиевые (сокращенно ПОСК);

—  бессвинцовые.

Последние легируют медью, серебром, цинком, алюминием, кадмием.

Оловянные припои ПОС (сплавы оловянно-свинцовые), имеющие процентный состав олова от 10%  до 90%, относятся к мягким припоям.

ПОС-15 (олово 15%) — 280 °C.

ПОС-25 (25%) — 260 °C.

ПОС-35 (33%) — 247 °C.

ПОС-61, ПОС 63 (олово 61% и 63%) — 183 °C

ПОС-90 (олово 90%) — 220 °C

В силу того, что состав сплавов ПОС-61 и ПОС-63 практически идентичен составу эвтектики «олово свинец», они расплавляются при постоянной температуре 183 °C.

— ПОССу – используется для пайки изделий из цинка, оцинкованного металла, при высоких требованиях к паяному соединению  (припои сурьмянистые);

— ОЦ — для соединения изделий из алюминия (припои оловянно-цинковые);

https://www.youtube.com/watch?v=ytcopyrightru

— ПОСК — для соединения изделий, реагирующих на перегрев, пьезокерамики, выводов конденсаторов  (оловянно-свинцово-кадмиевые);

— припои без свинца, которые кроме олова включают в состав серебро, медь, висмут и другие металлы.

Припоем называют сплав, состоящий из легкоплавких металлов. Например, оловянный. Но паять одним оловом — довольно дорого. С чистым оловом работают только тогда, когда нужно получить абсолютно безвредный для человека спай: при пайке посуды для употребления пищи или медицинского оборудования. В остальных случаях, для удешевления припоя, к олову добавляют более дешевый, но вредный свинец.

Для справки: поверхность припоя тем темнее, чем больше в нем свинца. А пруток из чистого олова при сгибе или сжатии издает характерный хруст.

— прочность в сочетании с пластичностью;

— высокий коэффициент теплопроводности;

— устойчивость к коррозии.

Оловянные припои используют для соединения деталей практически из всех металлов, и чем больше в составе припоя чистого олова — тем качественнее будет полученное соединение. Преимущество ПОС — его универсальность. Мягкие припои эксплуатируют в виде палочек (прутков), реже используют проволоку или пасту (смесь припоя с флюсующим веществом). Чем больше в сплаве олова, тем крепче соединение деталей при пайке.

Данный вид оловянного проката не используют для спайки алюминия. Прочие металлы, в том числе медь, железо, хорошо поддаются пайке ПОС. Спай — самое уязвимое место соединения «металл — припой — металл».  Прочность спая зависит от химического состава используемого припоя. Сопротивление на разрыв места спайки равно 6-8 кг/мм2, увеличивается пропорционально увеличению количества олова.

Рассмотрим некоторые особенности использования цинка и сурьмы в качестве добавок к припою при пайке определенных металлов. Добавление цинка при работе с алюминием и сплавами из этого металла увеличивает коррозийную стойкость спайки. Такие ЦО припои, содержащие от 10% до 40% цинка, используют для ультразвукового или абразивного метода пайки, лужения.

При соединении меди добавление к составу сурьмы увеличивает прочность спая. При пайке латуни сурьма — не влияет на прочность спая. А железа — уменьшает прочность спая.

— пруток с содержанием олова выше 60% ярко блестит (возможно, это ПОС-90, ПОС-61);

— материал, в котором много свинца — темного серого цвета, матовый;

— пруток со значительным содержанием свинца пластичный (до 60%), его легко деформировать (ПОС-40, ПОС-30);

https://www.youtube.com/watch?v=ytpressru

— пруток, где много олова, прочный и жесткий. Его нельзя согнуть руками;

— ПОС различных марок плавятся при температуре от 183 °C до 265 °C.

Для маркировки оловянных припоев используются буквы русского алфавита и цифры. Пример: ПОС-61, который еще именуют «третник» из-за содержания в нем 1/3 Pb. Буквы: П — это припой, О — оловянный, С — свинцовый. Число 61 — процент содержания Sn.

Рассмотрим наиболее востребованные марки оловянных припоев.

ПОС 90

Применяется для пайки таких металлов, как латунь, медь, сталь, бронза. Химический состав: 9 – 11% Pb и 89 – 91% Sn. Плавиться в интервале температур 183 – 220 ºС. Характеризуется высокой теплопроводностью, пластичностью, имеет выраженный металлический блеск. Также изделию присущ высокий коэффициент ударно вязкости, хорошо сопротивляется разрывам.

ПОС 90 – востребованное изделие. Элементы, соединенные данным оловянным припоем, можно в дальнейшем подвергать гальваническому покрытию другими металлами, эксплуатировать в контакте с продуктами питания. Данным сплавом паяют медицинские инструменты, оборудование. Полученные спаи – качественные, долговечные.

ПОС 63

Широко используется для пайки микросхем, печатных плат, пружин, важных узлов различных высокоточных приборов и измерительного оборудования из таких металлов, как сталь, медь, бронза, латунь.  ПОС 63 востребован при групповой пайке на окунанием с протяжкой, соединении волной припоя на автоматических линиях.

Плавиться при 183 ?С. Характеризуется небольшой плотностью, хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью, высоким показателем текучести. В состав ПОС 63 входит 62,5 – 63,5% олова, около 37% свинца. Содержит примеси висмута (0,1%), Cu, сурьмы (по 0,05%), Ni, As, Fe, S (не более 0,02% каждого), Al, Zn (0,002%). Они оказывают непосредственное влияние на технические характеристики.

ПОС 61 и ПОС 61М

ПОС 61 – универсальный оловянный припой, применяемый во многих отраслях. Им паяют детали из нержавейки, стали, латуни, меди, олова, бронзы, свинца. Для соединения меди, стали, латуни, бронзы припой ПОС 61 – наилучший выбор. Плавиться при 183-190 градусов Цельсия. Химсостав содержит: 59 – 61% олова, около 39% свинца, 0,1% сурьмы, 0,2% висмута, 0,05% Cu, 0,02% As.

В состав ПОС 61М входит 1,2 – 2% Cu, которые оказывают влияние на свойства. Прекрасно подойдет для пайки проводов, микросхем, фольги, печатных плат, радио, электроаппаратуры, высокоточных приборов, которые чувствительны к перегреву. В сравнении с другими видами оловянных припоев, которые можно купить, ПОС 61 отличается более высокой химической чистотой.

ПОС 50

Сплав содержи 50% олова, около 50% свинца, незначительные доли примесей. Используется для соединения деталей из железа, латуни, стали, меди, бронзы. Плавиться при 209 градусах по Цельсию. Применяется в самых разных сферах. Прочность на растяжение – 3,6 кгс/мм2.

ПОС 40

https://www.youtube.com/watch?v=https:accounts.google.comServiceLogin

Состоит из 39 – 40% Sn, около 60% свинца и примесей: сурьмы (0,1%), меди (0,5%), мышьяка (0,02%). Используется для меди, стали, бронзы, латуни, оцинкованных изделий (в том числе, методом горячего цинкования). ПОС 40 соединяют детали радиаторов, трубопроводов, аппаратуры. Спай полностью герметичен. Формирует прочный шов, электроконтакт с малым переходным сопротивлением. Оловянно-свинцовый припой совместим со всеми видами оборудования, поэтому широко востребован не только в бытовых ремонтах, но и на крупных заводах.

ПОС 35

Используется в машиностроении, монтажных и ремонтных работах, для соединения деталей электрооборудования, гибких шлангов, изделий из белой жести и пр. Аналоги – ПОС 40, ПОС 30. Свойства и характеристики очень схожи.

ПОС 30

Содержит в составе 29 – 31% олова, 0,1% сурьмы, 0,02% мышьяка и 0,05% меди, остальное – свинец. Применяется для пайки деталей в машиностроении, изделий из оцинкованного железа, латуни, меди, бронзы, стали, лужения.  Обеспечивает высокую герметичность швов. Популярный среди радиолюбителей. Из-за высокого содержания свинца пруток с диаметром до 10 мм можно легко согнуть руками.

ПОС 20

Используется при высокотемпературной пайки, ввиду относительной  тугоплавкости. Большая часть в составе (около 80%)  приходится на свинец. Применяется при ремонте радиаторов, спайке крупных проводов и пр.

ПОСу 95-5

Сурьмянистый припой, в химсоставе которого 4 – 5% сурьмы, остальное — Sn. Допускаются примеси Cu – 0,05%, висмута – 0,1%, не более 0,02% железа, мышьяка, серы, никеля, не больше 0,002% алюминия, цинка. Используется для спаивания элементов трубопроводов, в электропромышленности, для соединения деталей, эксплуатирующихся при повышенной температуре.

ПОССу 40-2

В составе данного материала 39 – 41% олова, 1,5 – 2% сурьмы, около 58% свинца. Также присутствуют примеси 0,08% Cu, 0,2% висмута, 0,02% мышьяка и 0,08% никеля, каждая из которых оказывает непосредственное влияние на свойства ПОССу 40-2.  Плотность соединения (спая) – 9,2 г/см3. Применяется для пайки тонколистовых материалов, лужения,  скрепления некоторых деталей холодильного оборудования.

ПОССу 30-2

Изготовление радиатора пайкой

Охлаждающая
поверхность радиатора (рис. 7) состоит
из латунных трубок, по которым течет
охлаждающая жидкость, и гофрированной
медной ленты толщиной 0,1 мм. В каждой
точке соприкосновения должно сформироваться
паяное соединение. Таким образом нужно
получить несколько тысяч соединений в
одном изделии при очень маленькой
толщине соединяемых элементов.

Для
этого собранный из луженых латунных
трубок и гофрированной ленты пакет
направляют в печь, имеющую три камеры
с разными температурами. Камеры отделены
друг от друга шлюзами. Первая камера
служит для предварительного подогрева
пакета до температуры пайки. Внутри
второй камеры находится ванна с
расплавленным флюсом, в которую опускают
собранный пакет.

Рис. 7. Фрагмент паяного радиатора.

Пайка приборов электрооборудования

Для пайки печатных
плат используют установки каскадной
многоволновой пайки (рис. 8).

В печи образуется
ванна расплавленного свинцово-оловянистого
припоя. Насос непрерывно направляет
поток припоя по наклонному поддону,
напоминающему стиральную доску, так
что припой образует серию гребней. Плата
с деталями соприкасается с верхушками
гребней, двигаясь навстречу припою.

https://www.youtube.com/watch?v=upload

Флюс плавает на
поверхности припоя и предотвращает его
взаимодействие с воздухом.

Процесс пайки

— получения электроконтакта с малым сопротивлением;

— получения прочного шва (иногда термического, абсолютно герметичного).

Процесс пайки основан на различии температур плавления у припоя и соединяемых металлов. Тогда как мягкий сплав плавится, становится жидким и текучим, соединяемые металлы остаются твердыми. Расплавленный металл течет по соединяемым деталям, заполняя пустоты между ними. В процессе пайки формируется промежуточный слой, который включает в себя объединенные части припоя и материала объединяемых элементов.

— свойств объединяемых материалов;

— требования к прочности соединения;

— коррозийной устойчивости спая;

— его стоимости.

А при спаивании деталей, проводящих ток, учитывают еще коэффициент удельной проводимости.

Для пайки проводов из меди используют ПОС-40 на канифольной основе. Нержавеющую  сталь можно соединить обычными ПОС, но для флюса используют специальный материал, отличающейся большей активностью, чем канифоль.

Механизм удаления оксидной пленки

Поверхности, которые
будут подвергнуты пайке, должны быть
обработаны с оптимальной точностью и
шероховатостью и не иметь заусенцев
после механической обработки

Поверхность паяемого
металла может быть загрязнена маслами,
смазочно-охлаждающей жидкостью, смазками,
красками, пылью, грязью. Слои таких
загрязнений мешают удалению оксидной
пленки и образованию качественного
паяного соединения.

Чтобы удалить такие
загрязнения, деталь перед пайкой следует
помыть в щелочном растворе следующего
состава (в граммах на литр воды):

• едкий натр (5…10
  г/л);

• углекислый натрий
  (15…30 г/л);

• тринатрийфосфат
  (30…60 г/л);

• эмульгатор ОП-7 (0,5
  г/л).

В растворе такого
состава при температуре 50…60°С
детали выдерживают 15…25 минут.

Если этого недостаточно,
то для обезжиривания используют
органические растворители (например,
ацетон).

https://www.youtube.com/watch?v=ytaboutru

После очистки детали
промывают в чистой (дистиллированной)
горячей и холодной воде и сушат.

После пайки с
деталей смывают остатки коррозионно-активных
флюсов в жидкостях, которые их растворяют.
Затем детали промывают в горячей и
холодной воде и сушат.

Рис. 8. Каскадная многоволновая пайка
печатной платы.

Время образования
одного слоя молекул оксида на поверхности
незащищенного металла около 10-8
секунд. Поэтому на поверхности металла
всегда имеется слой оксидной пленки.

За счет диффузии
кислорода из атмосферы и окисления
металла под оксидной пленкой она растет
вглубь металла. С течением времени
толщина оксидной пленки может достичь
50 и более молекулярных слоев (5…200нм).

В оксидной пленке
связи паяемого металла заняты кислородом.
Для образования связей между паяемым
металлом и расплавленным припоем следует
удалить мешающую этому процессу оксидную
пленку или кислород из нее. Оксидную
пленку целиком удалить легче.

Флюсы могут содержать
вещества, которые:

• вступают в химическое
  взаимодействие с оксидной пленкой,
  образуя шлаки, легко растворимые во
  флюсе;

• проникают через
  микротрещины в оксидной пленке к
  поверхности металла под ней и стремятся
  отделить ее от металла;

• делают флюс
  электролитом при его расплавлении, что
  вызывает электрохимическое растворение
  металла во флюсе под оксидной пленкой.

Если пленка оксидов
тонкая и нестойкая, как на меди, то
достаточно химического взаимодействия
канифоли с оксидом меди. Продукты реакции
растворяются в канифоли.

Микротрещины (рис.
5а) формируются в оксидной пленке при
нагреве до температуры пайки, вследствие,
разницы коэффициентов линейного
температурного расширения паяемого
металла и оксидной пленки на его
поверхности. Кроме того они расширяются
в результате химического взаимодействия
флюса с оксидами, образующими стенки
трещины.

Расплавленный флюс, а затем и
припой проникают через микротрещины и
входят в контакт с металлом под оксидной
пленкой в местах нарушения ее сплошности
(рис. 5б). Жидкий припой или легкоплавкий
металл, вытесненный из флюса, вызывает
контактное подплавление верхнего слоя
паяемого металла. Образуется очень
тонкий слой жидкого сплава между оксидной
пленкой и поверхностью паяемого металла
(фактически будущий спай) (рис. 5в). Под
подмытую оксидную пленку устремляется
основная часть припоя, окончательно
удаляя оксидную пленку.

Флюсы, содержащие
такие элементы как хлор и фтор в
расплавленном состоянии являются
электролитами. При соприкосновении
металла с флюсом-электролитом происходит
электрохимическое растворение металла,
то есть переход положительных ионов
металла в электролит. Флюс разъедает
границу между оксидной пленкой и
металлом.

Рис. 5. Удаление оксидной пленки флюсом.

Применение

Область эксплуатации достаточно широка.

https://www.youtube.com/watch?v=ytadvertiseru

ПОС 4-6 (заменяет ПОС-30) — для спайки железа, меди, свинца, жести белой при наличии клепанных замочных швов;

ПОС-18 (заменяет ПОС-40) — лужение перед пайкой дерева, спайка латуни, меди, железа оцинкованного, свинца;

ПОС-30 — спайка латуни, цинка и оцинковки, железа, жести белой, меди. Выполнение работ по пайке гибких шлангов, электромоторов, радиоаппаратуры;

ПОС-40 — пайка железных, медных, латунных проводов;

ПОС-90 — пайка внешних поверхностей посуды для употребления пищи, медицинских инструментов. Содержание 10% вредного свинца, делает его применение допустимым, для использования на поверхностях, которые контактируют с пищей и водой.

Поставщик:ООО РТГ «МетПромСтар»

Смачивание. Краевой угол смачивания

На рис. 3а показана
капля расплавленного припоя (флюса),
который хорошо растекается по паяемому
материалу и смачивает его. Краевой угол
смачивания при этом должен быть Q {amp}lt;
90°.
Чем ближе к нулю величина краевого угла
смачивания Q → 0 и больше площадь
растекания расплавленного припоя, тем
полнее смачивание.

На рис. 3б показана
капля расплавленного припоя, который
плохо растекается по паяемому материалу
и не смачивает его. Краевой угол
смачивания при этом Q {amp}gt; 90°.
Это означает, что атомы припоя не вступают
в связь с атомами паяемого материала.
Причины этого могут быть различны.
Во-первых, данные припой и паяемый
материал могут вообще не образовывать
соединений.

Тогда пайка невозможна.
Следует взять припой, совместимый с
паяемым материалом. Во-вторых, может
быть плохо подготовлена поверхность
паяемого материала — не удалена или
только частично удалена оксидная пленка
из-за неправильного подбора флюса.
В-третьих, температура пайки может быть
недостаточна для обеспечения хорошей
растекаемости припоя.

Рис. 3. Растекание расплавленного припоя
по

поверхности паяемого металла.

Поднятие припоя в капиллярном зазоре

На рис. 4 показано
поднятие припоя в капиллярном зазоре
между параллельными пластинами паяемого
материала. Атомы припоя граничащие с
пластинами притягиваются к расположенным
выше атомам пая­емого материала и
вскарабкиваются по пластине наверх.
Они тянут за собой за счет межатомных
сил основную массу припоя. В результате
припой поднимается вверх до тех пор,
пока силы поверхностного натяжения не
уравновесят силу тяжести припоя в
зазоре.

Поверхностные силы
пропорциональны площади поверхности
пластин [мм2],
а сила тяжести пропорциональна объему
зазора [мм3].
Поэтому при увеличении ширины зазора
более 0,5 мм высота поднятия припоя резко
снижается и зазор перестает быть
капиллярным.

Контактное плавление паяемого металла

Атомы припоя
диффундируют (проникают) в пограничный
слой паяемого металла. Слой толщиной в
несколько атомов, настолько насыщается
атомами припоя, что превращается в сплав
припоя с паяемым металлом. Как известно,
сплавы металлов плавятся при температурах
ниже температуры плавления компонентов.

Поэтому происходит
расплавление переродившегося слоя.
Такое плавление паяемого металла при
температуре ниже температуры его
автономного плавления называют
контактным.

Под автономным
плавлением понимают плавление материала
не контактирующего ни с какими посторонними
уже расплавленными материалами.

Контактное плавление
паяемого металла происходит в контакте
с расплавленным припоем и только на
границе паяемого металла с припоем.

Рис. 4. Поднятие припоя в капиллярном
зазоре

между параллельными
пластинами.

Флюсовая и бесфлюсовая пайка

https://www.youtube.com/watch?v=ytcreatorsru

Пайку с использованием
флюса называют флюсовой. Функции флюса
могут выполнять также:

• инертная газовая
  среда;

• активная газовая
  среда;

• вакуум.

При удалении оксидной
пленки абразивными частицами (абразивная
пайка) или с помощью механических
колебаний ультразвуковой частоты
(ультразвуковая пайка) флюс тоже не
используют.

Поэтому абразивную
и ультразвуковую пайку, а также пайку
в газовых средах и вакууме называют
бесфлюсовой.

Классификация флюсов

Флюсы для пайки
классифицируют по следующим признакам:

• температурному
  интервалу пайки на высокотемпературные
  (выше 450°С)
  и низкотемпературные (ниже 450°С);

• природе растворителя
  на водные и неводные (например, спиртовые);

• природе активатора
  на неорганические, органические
  кислотные и органические бескислотные;

• агрегатному состоянию
  на твердые, пастообразные и жидкие.

Растворители и пасты

В табл. 1 представлены
флюсы для пайки сталей, меди и медных
сплавов, а также алюминия и его сплавов.
Спирт и вода являются растворителями
и делают флюс жидким. Жидкий флюс удобно
наносить на паяемый материал. Например,
обмакивать многожильный медный провод
во флюс. Вазелин делает флюс пастообразным.

Таблица 1

Флюсы

Канифоль

Рассмотрим наиболее
известный флюс — канифоль, который
используют для низкотемпературной
пайки меди паяльником. Канифоль получают
из сосновой смолы. Она твердая и
стекловидная. Главной составной частью
канифоли является абиетиновая кислота
С20Н30О2
(около 80% по массе), плавящаяся при
температуре 173°С.

Канифоль, очень слабый активатор.
Расплавленная канифоль может удалить
только тонкий слой оксида меди. Канифоль
реагирует с оксидами меди, давая
абиетиновую соль меди, которая растворяется
в канифоли, превращая канифоль в шлак.
Остатки канифоли после пайки имеют вид
твердой прозрачной пленки с отличными
изолирующими свойствами.

https://www.youtube.com/watch?v=ytdevru

При температуре
200°С
канифоль активна. С повышением температуры
она начинает испаряться. При температуре
300°С
испаряется 7% канифоли. При нагреве выше
300°С
канифоль обугливается. Таким образом
температурный интервал активности
канифоли находится в области 200…300°С.
В табл. 1 приведены температурные
интервалы активности флюсов.